Основной недостаток почти всех вантовых систем заключается в том, что при действии на покрытие произвольной вертикальной нагрузки усилия в вантах неодинаковы. Это ухудшает технико-экономические показатели покрытий, так как при подборе сечений на разные усилия получаются различные по площади поперечного сечения ванты, а при их унификации — перерасход материала. Кроме того, различные усилия в вантах неблагоприятно влияют на работу бортового элемента, затрудняют осуществление и регулирование предварительного напряжения в вантах.

Рис. 1.18. К условию равновесия узла сети шестиугольной структуры.

Большой интерес представляет направление развития конструктивных форм покрытий, сеть которых была бы равнопрочной и обладала свойством уравнивать усилия в элементах при действии произвольной вертикальной нагрузки. Очевидно, что эффект использования прочностных характеристик применяемых материалов в таких сетях будет максимальным.

 

Рис. 1.19. Схемы вантовых покрытий с шестиугольной структурой сети:

а — план; б, в — однослойное покрытие соответственно с внутренним и наружным отводом воды; г, д — двухслойное соответственно с центральным барабаном и с распорками: / — пантовая сеть; 2,3 — соответственно опорные внешний н внутренний контуры; 4 — центральная опора; 5 — наружные опоры по контуру; б — раздвижной барабан; 7 — распорки

Рассмотрим пологую систему, состоящую из трех элементов-вант, сходящихся в одном узле под углом 120° друг к другу (рис. 1.18). Из условия равновесия узла в горизонтальной плоскости следует, что под действием узловой вертикальной силы горизонтальные составляющие усилий в вантах равны. Присоединяя к каждому свободному концу такой системы последовательно еще по два элемента и соблюдая принятый закон образования узла, можно получить вантовую сеть шестиугольной структуры, обладающую свойством равенства усилий во всех ее элементах. В связи с пологостью поверхности такой сети ее ячейки практически сохраняют в плане форму правильных шестиугольников как в загруженном, так и незагруженном состояниях. В силу статической определимости работы узлов одинаковые усилия в элементах будут возникать также при действии различных по величине и расположению узловых сил.

Под одинаковыми здесь подразумеваются усилия, возникающие от одного произвольного загружения вантовой сети. При количественном и качественном изменении внешней нагрузки соответственно изменяются усилия в элементах, оставаясь при этом равными по всей сети. Аналогичное явление мы имеем в отдельной пологой гибкой нити, когда при приложении к ней различных по величине вертикальных сил усилие в нити (распор) является по всей длине постоянной величиной. В этом смысле шестиугольную структуру вантовой сети в статическом отношении можно трактовать как пространственную одиночную гибкую нить. Шестиугольная сеть равного натяжения может рассматриваться также как дискретная модель уравнения Лапласа.

Предлагаемая структура дает возможность разработать различные схемы вантовых покрытий (рис. 1.19) 

Однослойное вантовое покрытие с внутренним отводом воды представляет собой систему вант шестиугольной структуры, натянутых на опорный внешний контур, очерченный по окружности. Предварительное натяжение сети осуществляется притягиванием ее к центральной опоре, верх которой располагается ниже положения внешнего опорного контура. Структура сети и принцип предварительного натяжения обеспечивает поверхность вращения отрицательной гауссовой кривизны. Заметим, что такую же поверхность может иметь лишь радиально-кольцевое шатровое покрытие.

Покрытие с шестиугольной структурой сети является родственным радиальным системам покрытия, однако, на наш взгляд, обладает многими преимуществами. Предварительное натяжение радиальных систем производится путем поддержания растягивающих напряжений в вантах при одновременном замоноличивании швов между железобетонными плитами, поэтому применение плит заполнения без связи в работе их с вантами невозможно. Предлагаемая схема позволяет применить для ограждающих конструкций панели из синтетических материалов и легких сплавов без обеспечения совместной работы их с вантовой сетью. Величина распора во всех элементах сети постоянна. Это обеспечивает идеальные условия работы опорного контура, являющегося безизгибным при любой неравно- ■ мерной нагрузке. Применение одного типоразмера ограждающих плит и единой конструкции узлов пересечения вант дает возможность проектировать максимально унифицированные покрытия различных пролетов.

При необходимости наружного отвода атмосферных осадков может применяться схема покрытия, показанная на рис. 1.19, е. В этом случае предварительное натяжение сети осуществляется оттягиванием ее от горизонтальной плоскости вверх при помощи центральной опоры.

Возможна схема двухслойного Байтового покрытия с использованием шестиугольной структуры сети, каждый слой которой очерчен по поверхности отрицательной кривизны (рис. 1.19, г). Предварительное напряжение осуществляется раздвижкой центральных траверс специального барабана при помощи домкратов.

В двухслойном покрытии с поверхностью положительной гауссовой кривизны предварительное натяжение осуществляется постановкой распорок в каждый узел шестиугольной сети. Затруднения конструктивного порядка могут отнести эту схему в область теоретических решений, однако с точки формообразования вантовых покрытий такая схема представляет интерес (рис. 1.19, д).

Недостатком сети шестиугольной структуры является ее много-дельность, обусловленная тем, что ячейки сети изготавливаются из отдельных сравнительно коротких элементов, которые необходимо соединять в каждом узле. Это обстоятельство затрудняет применение для вант стальных тросов. Поэтому целесообразно создать систему, которая обладала бы свойством сети шестиугольной структуры, но имела бы более длинные элементы с минимальным количеством сложных узлов пересечения вант. Этой цели отвечают покрытия, схемы которых показаны на рис. 1.20.

Основная идея схемы на рис. 1.20, а заключается в том, что два семейства перекрестных вант у контура переходят в систему коротких вант, направленных под углом 120° к основным вантам. 

Рис. 1.20. Сети с равными усилиями в элементах:

а — с «выравнивающей» зоной у контура; б — то же, в пролете.

Это обеспечивает равенство усилий в вантах, примыкающих к таким узлам, а вследствие проскальзывания перекрестных вант в пролетных узлах — равенство усилий во всех остальных вантах. Форма опорного контура при этом может быть произвольной.

Выравнивание усилий можно получить как для всех элементов сети (путем соответствующего соединения групп вант в углах), так и для двух групп вант — несущих и напрягающих. При выравнивании усилий во всех элементах схема имеет повышенную дефор-мативность, так как влияние кривизн нитей на работу проявляется незначительно. По статической работе она аналогична плоской сети с равными усилиями во всех элементах. Очевидно, что более рационально применять схему с выравниванием усилий отдельно для несущих и напрягающих вант.

Выравнивание усилий можно достичь не только путем расположения коротких элементов указанной структуры у контура, но и в пролете перекрестных систем и систем с параллельными нитями (рис. 1.20, б). Эти схемы эффективны при восприятии односторонних и неравномерных нагрузок. Принцип выравнивания усилий путем создания небольшой специальной приконтурной или пролетнои зоны можно распространить и на другие схемы покрытий. В частности, можно проектировать двухслойные системы.

К качественно новым результатам приводит применение принципа выравнивания усилий к сетям треугольной структуры. Если однослойную вантовую сеть треугольной структуры «раздвинуть» в узлах вертикальными распорками таким образом, чтобы ванты трех направлений попеременно опирались в верхних и нижних узлах распорок и примыкали бы к узлам под углом в плане 120° друг к другу, получаем важное свойство такой схемы (рис. 1.21): при действии любой вертикальной нагрузки усилия в вантах будут уравнены по трем группам, так как существует всего три независимых .направления, образующих замкнутые шестиугольники. Каждый конец распорки развязан в трех направлениях, составляющих в плане углы 120°, причем направления примыкания вант у верхних и нижних узлов повернуты в плане на 60° относительно друг друга.

Рис. 1.21. Вантовое покрытие с выравниванием усилий по трем группам элементов:

а — план;- б — аксонометрия: / — ванты; 2 — распорки; 3 — бортовой элемент; 4 — плита.

 

Как и прежде предполагается, что эта схема относится к классу пологих систем со всеми вытекающими последствиями.. В стадии предварительного напряжения предлагаемая схема обеспечивает наличие всего одного типа усилий во всех элементах, что значительно облегчает выполнение предварительного напряжения. Варьи-"⁴ руя длину распорок, можно обеспечить соответствующую форму покрытия.

Как будет показано в гл. II, вантовые покрытия относятся к классу так называемых мгновенно-жестких систем и даже при наличии предварительного напряжения обладают повышенной деформатив-ностью. Этот недостаток является главным препятствием в случае применения вантовых систем для перекрытий, требования к жесткости которых более повышены. В определенной мере он устранен в схеме (рис. 1.22), образованной путем соединения по вертикали двух сетей по рис. 1.21 таким образом, что нижние узлы распорок верхней сети совпадают с верхними узлами распорок нижней сети, т. е. путем параллельного переноса по вертикали нижней сети на величину высоты распорки.

Верхние и нижние узлы распорок по-прежнему раскреплены в трех направлениях, а средний узел раскреплен шестью вантами. Образованная таким образом схема обладает важным свойством —  геометрической неизменяемостью, а следовательно, повышенной жесткостью. В силу структуры сети равенство усилий достигается лишь в каждых трех вантах, примыкающих к верхним или нижним узлам распорок.

Рис. 1.22. Байтовое покрытие треугольной структуры повышенной жесткости:

/ — ванты; 2 — распорка; 3 — опорный контур; 4— сборная плита.